《直流电动机调速系统》课程设计

直流调速系统设计报告学生姓名 :学号:学班专业：动化专业：动化指导教师：2012年12月5日TOC\o"1-5"\h\z.前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯. 3.设计参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4.双闭环调速系统的工作原理系统的组成 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ .⋯5系统的原理图 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ .⋯ 6系统的稳态结构框图和静特性 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ .⋯⋯8系统静特性 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ..⋯⋯⋯⋯ 8各变量稳态工作点和稳态参数的计算 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ .⋯⋯ 9.设计双闭环调速系统电流调节器和转速调节器 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ...⋯10调节器的设计 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ .⋯..10电流调节器的设计 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ .⋯..⋯10确定时间常数 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯ ⋯⋯⋯ .⋯⋯ ..⋯10TOC\o"1-5"\h\z选择电流调节器的结构 ⋯ .⋯ .⋯ .⋯.⋯ .⋯ .⋯ .⋯ .⋯ ⋯ ..⋯ .11计算电流调节器的参数 ⋯.⋯.⋯.⋯.⋯.⋯.⋯.⋯ ⋯..⋯.⋯.11校验近似条件 ⋯.⋯.⋯.⋯.⋯.⋯.⋯.⋯.⋯.⋯.⋯ ⋯ .⋯.⋯.12计算电流调节器的电容和电阻 .⋯ .⋯ ..⋯ .⋯ ..⋯ .⋯ ⋯ .⋯ .13转速调节器的设计 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯ .⋯⋯ 14确定时间常数 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 14选择转速调节器的结构 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 14计算转速调节器的参数 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 144.3.44.3.4校验近似条件 14计算调速调节器的电容和电阻 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 15校核转速超调量 ⋯⋯⋯⋯ ...⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 17.调速系统性能指标的数字仿真 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1⋯8双闭环调速系统的动态结构图 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 18系统仿真模型 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ...⋯⋯⋯ 19仿真结果 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ...⋯⋯⋯⋯ 19心得⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 07．参考文献 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ..⋯⋯ .⋯⋯⋯⋯ ..21前言20世纪90年代前的大约 50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机， 直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式， 使得电动机具有优良的起动， 制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战， 但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。 因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，通过在DJDK-1型电力电子技术及电机控制试验装置上的调试 ,并应用 MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。 电力电子器件的不断进步，为电机控制系统的完善提供了物质保证，新的电力电子器件正向高压，大功率，高频化和智能化方向发展。智能功率模块（ IPM）的广泛应用，使得新型电动机自动控制系统的体积更小， 可靠性更高。 传统直流电动机的整流装置采用晶闸管， 虽然在经济性和可靠性上都有一定优势， 但其控制复杂， 对散热要求也较高。电力电子器件的发展， 使称为第二代电力电子器件之一的大功率晶体管（GTR）得到了越来越广泛的应用。 由于晶体管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件， 其性能优良， 以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制 （PWM）直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越普遍的趋势。设计参数直流电动机参数：功率 PN=555K，额定电压W UN=750V，额定电流 IN=760A，nN=3000r/min，电枢绕组电阻 Ra=0.9Ω，主电路总电阻 R=0.14Ω，晶闸管装置放大系数 Ks=75,电磁时间常数 Tl=0.031ms,机电时间常数 Tm=0.112ms,电流反馈滤波时间常数 Toi=0.002s，转速反馈滤波时间常数 Ton=0.02s,过载倍数 =1.5，电流给定最大值 Uim=10V，速度给定最大值 U*n=10V。双闭环调速系统的工作原理系统的组成转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。采用 PI调节的单个转速闭环调节系统可以在保证系统稳定的前提下实现无静差调速。 但对于系统的动态性能要求较高的系统， 单闭环系统就难以满足要求了。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流， 即分别引入转速负反馈和电流负反馈。 二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图 1所示。把转速调节器的输出当作电流调机器的输入，再把电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE。从闭环结构上看，电流环在里，称作内环；转速换在外，称作外环。这就形成了转速电流双闭环调速系统。3.23.2系统的原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图 2所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压 Uc为正电压的情况标出的， 并考虑到运算放大器的倒相作用。 图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器 ASR的输出限幅电压 U*im决定了电流给定电压的最大值，电流调节器 ACR的输出限幅电压 Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm。3.33.3系统的稳态结构框图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图 3所示。它可以很方便地根据上图的原理图画出来， 只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。 分析静特性的关键是掌握这样的 PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值：当调节器饱和时， 输出为恒值， 输入量的变化不再影响输出， 除非有反向的输入信号使调节器退出饱和； 换句话说， 饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。不饱和——输出未达到限幅值：当调节器不饱和时， 正如1.6节中所阐明的那样，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。3.3.1系统静特性双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个 PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如图 4中虚线所示。3.43.4各变量稳态工作点和稳态参数的计算双闭环调速系统在稳态工作中， 当两个调节器都不饱和时， 各变量之间有下列关系上述关系表明，在稳态工作点上，转速 n是由给定电压 U*n决定的；ASRU*i是由负载电流 IdL决定的；控制电压 Uc的大小则同时取决于 n和Id，或者说，同时取决于 U*n和IdL。4）和公式（ 5），得*nm 0.027V.min/rnmax 375r/minmax*Uim 10V 0.0087V/AIdm1.5 760A设计双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器调节器的设计第一步：选择调节器结构 ,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。第二步：设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。电流调节器的设计确定时间常数PWM装置的延长时间 Ts=0.1ms=0.0001s。（2）电流滤波时间常数 Toi=0.002s。（3）电流环小时间常数之和 T∑i。按小时间常数近似处理，取T∑i=Ts+Toi=0.0017+0.002=0.0037s。（4）电磁时间常数 Tl=0.031ms。选择电流调节器的结构根据设计要求 i5%，电流环控制对象是双惯性型的， 因此可用 PI型调节器，其传递函数为WACRWACRKi(is1)式中KiTl0.031sTi0.0037s检查对电源电压的抗扰性能： l 8.37,参照表Ti0.0037sI型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。

表1典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系计算电流调节器的参数i Tl0.031s电流开环增益 :要求i5%时,按表2可取KITi0.5，因此， KI0.5KI0.5 135.1s1ITi I0.0037sPWM装置的放大系数： K75s于是， ACR的比例系数为：KIiRKIiRKiKs135.1 0.0310.140.9750.0087表2典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系

4.2.4校验近似条件电流环截止频率： ciKI135.1s(1)PWM装置传递函数的近似条件：3Ts 3Ts 30.0017s1196.1sci满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：TOC\o"1-5"\h\z11 1满足近似条件。3 3 50.91s1ci满足近似条件。TmTl 0.1120.031 ci电流环小时间常数近似处理条件111 1 1180.8s3TsToi 3 0.00170.002满足近似条件。4.2.5计算调节器电阻和电容由图 6，按所用运算放大器取 R0=40k，各电阻和电容值为RiKiR00.940K 36K,取36KCii0.031s0.008F，取0.008FRi36KCi 4Toi 40.002s0.2F取0.2FoiR0 40K ,按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 i4.3% 5%，满足设计要求。

6含给定滤波与反馈滤波的 PI型电流调节器4.3转速调节器的设计4.3.1确定时间1）电流环等效时间常数 1/KI。由前述已知， KITi 0.5，则 :KI2Ti2 0.0037s0.0074KI2）转速滤波时间常数 Ton，根据所用测速发电机纹波情况， 取 Ton 0.02s（3）转速环小时间常数 Tn。按小时间常数近似处理，取Tn2TiTon0.0074s0.02s0.0274s4.3.2选择转速调节器结构按照设计要求，选用 PI调节器，其传递函数式为１５１５WASRWASR(s)Kn(ns1)4.3.3计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取 h=5，则 ASR的超前时间常数为nhTn50.0274s0.137s则转速环开环增益h1 51 2 2KN 2 2 2s 159.8sN 2h2T n2 252 0.02742可得 ASR的比例系数为Kn(h1)Kn(h1)CeTm

2hRTn(51)0.00871.820.112250.0270.140.027410.3式中电动势375375CeUNINRa 7507600.09V.min/r1.82V.min/re4.3.4检验近似条件转速截止频率为cnKNKNn159.80.137s1 21.9s1114.3.4检验近似条件转速截止频率为cnKNKNn159.80.137s1 21.9s111）电流环传递函数简化条件为1cn5Ti5T1i50.1003754.1s-1Wcn满足简化条件。2）转速环小时间常数近似处理条件为111 132TiTon 320.0037 0.0227.40cn满足近似条件。4.3.5计算调节器电阻和电容根据图7所示，取 R040k，则Rn KnR010.340K 412K取412KCnn0.1373F0.034F取0.03FnRn 412 1034T 40.02Conon .3F0.002F取0.002FonR0 40 1036含给定滤波与反馈滤波的 PI型转速调节器4.4校核转速超调量当h=5时，查表 3典型II型系统阶跃输入跟随性能指标得， n37.6%，不能满足设计要求。设理想空载起动时，负载系数 Z0，已知IN 760A，nN 375r/min，5，R0.14 ，Ce1.82Vmin/r Tm0.112s，.Tn0.0274s。当h5时，由表 4查得， Cmax/Cb 81.2%而调速系统开环机械特性的额定稳态速降

CnbC nNT6）6）n 2 (Z)nCbn* Cb n*Tm调速系统开环机械特性的额定稳态速INR7600.14nN r/min58.46r/min;*n为基准值，对应为额定转速N C*n为基准值，对应为额定转速nN3000r/min。根据式（ 6）计算得 n0.20% 10%满足设计要求。调速系统性能指标的数字仿真双闭环直流调速系统的动态结构图5.2系统仿真模型开环调速系统的仿真模型5.3仿真结果双闭环调速系统的电流和转速曲线心得在这次课程设计过程中， 碰到的难题就是对相关参数的计算， 因为在学习中没能很好的系统的总结电机相关知识。 在整个课程设计中贯穿的计算过程没能很好的把握。 在今后要认真学习， 对直流电机的参数和自控系统课程进行补充。 为以